[논문]CFRP FEM 비선형 해석을 위한 물성치 재확립에 관한 연구

김정호; 김치중; 차천석; 김지훈

doi:10.7735/ksmte.2012.21.4.608

[국내논문] CFRP FEM 비선형 해석을 위한 물성치 재확립에 관한 연구
Recalculation Research of Material properties for CFRP FEM Non-linear Analysis 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.4, 2012년, pp.608 - 612

김정호 (조선대학교 첨단부품소재공학과) , 김치중 (조선대학교 첨단부품소재공학과) , 차천석 (동강대학 소방안전관리과) , 김지훈 (조선대학교 기계설공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To reduce these costs and time by finite element analysis program has been much research (3~4). At virtual CAE program as like Abaques, Ansys, Ls-dyna and Nastran, the input data of material is got bellow coupon test. In case of carbon composite, it is also put in lamina/laminate properties. There have big problem. If you want to simulate FW(filament winding or wind blade) how do you input material data. Each area of FW is different stacking conditions. It's too hard that each area is tested for inputting lamina or laminate properties. The composite structure increasing load is applied occurred as the matrix dependence of the crack-induced nonlinearity and nonlinear mobility appears since the initial damage. And uni-direction for this research applies the theory to have been confined to. On this study, we are going to get basically fiber properties and matrix than carbon composite properties for simulating according stacking method by GENOA-MCQ. It is help to simulate easily composite material. Also Calculate the matrix nonlinear for simulating non-linear.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 탄소섬유복합재료의 인장, 압축, 전단 실험을 통해 재료의 물성을 얻고, GENOA(복합재료 전용 해석프로그램)을 이용하여 탄소섬유와 에폭시 수지의 물성(비선형 선도)을 역계산을 통해 얻은 후 실제 쿠폰 실험 결과와 해석결과의 신뢰성을 평가하고 적층별 변화에 따른 예측을 하고자 한다^(2,3).

제안 방법

탄소 섬유복합재료는 물성을 얻기 위해 기본적으로 인장(0°, 90°), 압축(0°, 90°) 그리고 전단(V-notched or In-plane)실험을 진행하였다.
본 연구에서도 시간과 비용을 절약하기 위해 시뮬레이션 프로그램을 적용하고자 한다. 일반적인 금속을 이용한 유한요소 해석을 하기 위해서는 인장실험을 통한 Stress-Strain 선도와 강도, 탄성계수, 푸아송비등과 같은 재료의 물성치가 요구된다.
인장, 압축 그리고 전단의 시험편 크기 및 지그는 ASTM에 따라 진행하였다^(5,6). GENOA-MCQ(Alphastar Corp) 프로그램을 사용하여 각 탄소섬유와 에폭시 수지의 물성을 역계산을 통해 얻었고, 얻어진 각 물성치를 사용하여 실제 쿠폰실험과 동일한 조건으로 시뮬레이션 하여 타당성 평가를 하고, 이를 이용하여 적층각도 변화에 따른 강도 및 강성을 예측 하였다.
시편의 개수는 최소 7개로 하였다. 시편에 중앙에 스트레인게이지를 부착한 후 UTM에서 하중을 얻고 스트레인메타에서 변형량을 얻어 Stress-Strain Curve를 얻어 각 시편의 강도와 강성을 얻었다. 실험이후 각 종류의 실험결과값들간의 편차가 30% 이상 차이가 나는 경우 실험과정이나 제작과정에 불량발생으로 판단하고 그 결과값들은 제외하였다.
23±3℃ and 50±10% 상대습도(relative humidity) 환경조건에서 실험을 진행하였다.

대상 데이터

인장0°, 인장 90°, 압축0°, 압축90° 그리고 전단(V-notched)을 ASTM규격에 따라 복합재료 전문업체인 KCA(Korea Composites Application)에 핫프레스 방법으로 제작하였으며, 시편의 재료는 Uni-direction prepreg sheet(SK Chemical, USN125A)을 사용하였다.

이론/모형

탄소 섬유복합재료는 물성을 얻기 위해 기본적으로 인장(0°, 90°), 압축(0°, 90°) 그리고 전단(V-notched or In-plane)실험을 진행하였다. 인장, 압축 그리고 전단의 시험편 크기 및 지그는 ASTM에 따라 진행하였다^(5,6). GENOA-MCQ(Alphastar Corp) 프로그램을 사용하여 각 탄소섬유와 에폭시 수지의 물성을 역계산을 통해 얻었고, 얻어진 각 물성치를 사용하여 실제 쿠폰실험과 동일한 조건으로 시뮬레이션 하여 타당성 평가를 하고, 이를 이용하여 적층각도 변화에 따른 강도 및 강성을 예측 하였다.
섬유복합재료 실험을 위한 인장, 압축 그리고 전단 역시 ASTM 규격에 따라 제작하였다. 이들 장치들은 UTM에 장착하여 2 mm/min으로 정적실험을 하였다.

성능/효과

쿠폰실험과 시뮬레이션을 비교해본 결과 인장 0°, 인장 90° 그리고 압축 0°는 일치함을 보였으나, 쿠폰실험에서 비선형으로 나타난 압축 90°와 전단에서는 시뮬레이션이 선형으로 나타나 일치하지 않았다.
이는 추후 본 연구에서 얻어진 데이터를 사용하여 CFRP으로 제작된 구조물 시뮬레이션에서 나타내도록 한다. Re-simulation 결과 탄소섬유와 S-S선도를 포함한 에폭시 수지 물성치를 사용하여 쿠폰 실험에 얻어진 결과 값과 일치함을 보였다.
(1) 인장0°, 인장 90°, 압축0°, 압축90° 그리고 전단 쿠폰실험에서 얻어진 데이터를 가지고 GENOA-MCQ를 사용하여 Lamina/Laminate보다 원초적인 탄소섬유와 에폭시 수지의 물성을 얻었다.
본 연구에서는 이중재료를 탄소섬유 복합재료를 Lamaina 혹은 Laminate형태로 이루어진 시뮬레이션을 GENOA-MCQ를 사용하여 비선형 해석이 가능한 탄소섬유와 S-S선도를 포함한 에폭시 수지 물성치를 얻었으며, 실험과 일치함을 보였다.
(2) 비선형 선도 해석을 위해서는 에폭시 수지의 비선형 S-S 선도를 MCO와 MUA 모듈을 사용하여 최적의 탄소섬유 물성과 에폭시 수지의 물성을 얻었고, 이들 물성치를 사용하여 실제 실험과 비교하였고 거의 일치함을 보였다.
(4) 이들의 물성을 사용하여 적층변화별 인장강도, 압축강도 그리고 전단강도를 예측하였고 인장강도에서는 0도에서 1700(MPa), 압축강도에서는 0도에서 525(MPa) 그리고 전단강도에서는 45도에서 145(MPa)의 최고값을 나타남을 예측할 수 있다.

후속연구

본 연구 이후 적층각도가 복잡한 여러 시편을 제작･실험하고 본 실험에서 얻어진 탄소섬유와 에폭시 수지 물성치를 이용한 시뮬레이션 결과 비교하는 연구가 진행 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	환경오염에 주원인이 되는 수송차량은 어떤 형태로 설계되고 있는가?	현재 전 세계적으로 에너지 부족현상으로 대체 에너지원의 개발 및 환경오염을 줄이고자 많은 연구들이 진행되고 있다. 환경오염에 주원인이 되는 수송차량을 연비의 효율을 좋게 하고 배기가스 배출량을 줄이고자 기존의 강성과 강도를 유지하며 더불어 낮은 무게를 갖도록 설계가 되고 있다. 다른 금속에 비해 비강도와 비강성이 높은 탄소 섬유복합재료 핫이슈로 떠오르고 있다.
	탄소 섬유복합재료는 무엇에 따라 다양한 특성을 가지는가?	본 연구에 사용될 탄소섬유복합재료는 방향성을 갖는 이종재료인 탄소 복합재료는 정확한 환경조건에 따라 제작방법(curing condition, 적층방법, 흡습상태)을 달리 하여야 한다. 탄소 섬유복합재는 적층방법, 두께, 형상과 같은 제작 방법과 섬유와 에폭시 수지(Matrix)의 종류에 따라 매우 다양한 특성을 나타난다. 정확한 환경 조건에 맞는 제작방법 및 종류를 이론계산으로 예측 한다는 건 매우 어려워 주로 실험에 의존하고 있다.
	현재 전 세계적으로 에너지 부족현상으로 이루어지는 연구는?	현재 전 세계적으로 에너지 부족현상으로 대체 에너지원의 개발 및 환경오염을 줄이고자 많은 연구들이 진행되고 있다. 환경오염에 주원인이 되는 수송차량을 연비의 효율을 좋게 하고 배기가스 배출량을 줄이고자 기존의 강성과 강도를 유지하며 더불어 낮은 무게를 갖도록 설계가 되고 있다.

참고문헌 (7)

Lee, S. P., Kang, K. W., Chang, S. M., and Lee, J. H., 2011, "Structural Design for 2kW Class Wind Turbine Blade by using Design of Experiment," KSMTE, Vol. 20, No. 1, pp. 28-33.
Minnetyan, L., Su, X., Abdi, F., and Chamis, C. C., 2008, "Fiber-matrix Interphase Effects on Damage Progression in Composite Structures," 49th AIAA/ASME/ ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, AIAA 2008-1732, pp. 092407.
Soden, P. D., Hinton, M. J., and Kaddour, A. S., 1998, "A Comparion of The Predictive Capabilities of Current Failure Theories for Composite Laminates," Composites Science and Technology, No. 58, pp. 1225-1254.

상세보기
Davila, C. G., Jaunky, N., and Goswami, S., 2003, "Failure Criteria for FRP Laminates in Plane Stress," 44th AIAA/ASME/ASCE/AHS Structures, Structural Dynamics, and Materials Confere, AIAA 2003-1991, pp. 1-11.
ASTM, D3039, Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, D3039/D3039M-00(April 10, 2000)
ASTM, D3410, Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading, D3410/D3410M-03(June 10, 2003)
ASTM, D5379, Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-notched Beam Method, D5379/D5379M-98(Dec. 10, 1998)

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